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一种磨粒剪切疲劳测试设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种磨粒剪切疲劳测试设备，包括固接在一工具头上的磨粒、被划擦试样、基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；超声振动系统装接在基座系统；工具头固接在超声振动系统；声发射系统装接于工具头；测力系统装接在基座系统；被划擦试样固接在测力系统；通过基座系统调节被划擦试样与磨粒的相对位置；通过超声振动系统实现磨粒与被划擦试样间发生剪切滑动；通过测力系统检测二者间力的动态变化；通过声发射系统检测二者间剪切滑动过程中磨粒达到疲劳破坏时的声发射信号。本发明实现了不同材质磨�？辜羟心芰Φ牧炕员龋蹦芴峁┛辜羟械氖奔涫荩杂谀チ现圃旌湍ゾ呱杓频确矫婢哂兄匾睦砺壑傅家庖�。
【专利说明】一种磨粒剪切疲劳测试设备

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磨粒剪切疲劳测试设备。

【背景技术】
[0002]磨粒加工是一种达到高等级加工精度的常用加工方法，包括磨削、研磨、抛光等多种工艺形式，在磨粒加工中，磨粒和被加工材料发生接触导致较软的工件材料被去除，这个过程中，磨粒不可避免的受到剪切等动态载荷，发生磨损、破损等现象，进而影响磨粒工具的使用性能。因此磨粒在动态载荷下的抗剪切性能对于磨粒工具的性能有巨大影响。但是现在并没有一种简便、有效的方法对磨粒的剪切疲劳特性进行量化分析。


【发明内容】

[0003]本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种磨粒剪切疲劳测试设备，可以对不同材质磨粒的抗剪切性能进行对比测试，并确定发生剪切疲劳的循环次数，进一步的分析可以确定磨粒在滑动剪切过程中的破碎形式、破碎机理等问题，对于磨料制造和磨具设计等方面具有重要的理论指导意义。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是:
[0005]一种磨粒剪切疲劳测试设备，包括磨粒6及与磨粒6发生剪切滑动的被划擦试样5 ;所述磨粒6固接在一工具头7 ;还包括基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；
[0006]所述超声振动系统装接在基座系统上；所述工具头7固接在超声振动系统上；所述声发射系统装接于工具头7 ;所述测力系统装接在基座系统上；所述被划擦试样5固接在测力系统上；
[0007]通过基座系统调节被划擦试样5与磨粒6的相对位置；通过超声振动系统使工具头7发生振动从而实现磨粒6与被划擦试样5间发生剪切滑动；通过测力系统检测磨粒6与被划擦试样5间力的动态变化；通过声发射系统检测磨粒6与被划擦试样5间剪切滑动过程中磨粒6达到疲劳破坏时的声发射信号。
[0008]一实施例中:所述基座系统包括光学平板1，X轴滑台3，Y轴滑台2和Z轴滑台11 ；Y轴滑台2滑动装接在光学平板I上且可沿Y轴方向滑动；x轴滑台3滑动装接在Y轴滑台2上且可沿X轴方向滑动；Z轴滑台11滑动装接在光学平板I上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；通过X轴滑台3、Y轴滑台2和Z轴滑台11使被划擦试样5和工具头7可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被划擦试样5与磨粒6的相对位置；
[0009]所述超声振动系统包括超声发生器，超声变幅杆9和连接杆8 ;超声变幅杆9装接在Z轴滑台11，超声发生器传动连接超声变幅杆9 ;连接杆8固接在超声变幅杆9上；所述工具头7固接在连接杆8上；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆9和连接杆8传递至工具头7以使工具头7发生振动从而实现磨粒6与被划擦试样5间发生剪切滑动；
[0010]所述测力系统包括力传感器4，第一电荷放大器和第一数据采集卡；力传感器4固接在X轴滑台3上，该第一电荷放大器信号连接力传感器4，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；所述被划擦试样5固接在力传感器4 ；
[0011]所述声发射系统包括声发射传感器，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器装设于工具头7内，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器。
[0012]一实施例中:所述磨粒6为普通磨粒或超硬磨粒，该磨粒6粒度大于38 μ m。
[0013]一实施例中:所述被划擦试样5经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度不大于Ra0.1 μ m，该被划擦试样5用超声清洗机清洗后固接在力传感器4。
[0014]一实施例中:所述连接杆8为带锥度螺钉；所述连接杆8螺接在超声变幅杆9上。
[0015]一实施例中:所述X轴滑台3由步进电机驱动，其步进精度优于Ilym;所述Y轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于Ilym;所述Z轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于0.35 μπ?ο
[0016]一实施例中:所述力传感器4的性能参数为:测力范围为-25Ν?25Ν，测力精度高于0.0025Ν，采样频率高于8ΚΗζ ;所述声发射传感器的性能参数为:频率范围为48?1010kHz，谐振频率大于78kHz，灵敏度峰值大于65dB ;所述超声发生器的性能参数为:振动频率f = 18?42KHz，振幅范围为O?22 μ m。
[0017]—实施例中:所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。
[0018]本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是:
[0019]一种磨粒剪切疲劳测试设备的使用方法，包括:
[0020]I)通过X轴滑台3和Y轴滑台2调整被划擦试样5在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对磨粒6 ；
[0021]2)通过Z轴滑台11调整工具头7在Z轴方向上的位置使磨粒6与被划擦试样5刚好接触；
[0022]3)启动超声振动系统以使工具头7发生振动，从而实现磨粒6与被划擦试样5发生剪切滑动；记录剪切滑动时间；
[0023]4)通过测力系统检测磨粒6与被划擦试样5间剪切滑动过程中力的动态变化；
[0024]5)通过声发射系统检测磨粒6与被划擦试样5间剪切滑动过程中磨粒6达到疲劳破坏时的声发射信号；
[0025]6)检测到磨粒6达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，根据剪切滑动时间、超声振动频率计算剪切次数，从而得到磨粒6的剪切疲劳测试数据。
[0026]一实施例中:所述步骤2)中，判断磨粒6与被划擦试样5刚好接触的方法包括:
[0027]21)通过Z轴滑台11调整工具头7在Z轴方向上的位置使磨粒6靠近被划擦试样5，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过Z轴滑台11调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；
[0028]22)启动测力系统，每次以Z轴滑台11的最小位移移动Z轴滑台11并通过测力系统检测磨粒6与被划擦试样5间接触力的实时变化；当接触力到达临界值时，停止移动Z轴滑台11，此时即为磨粒6与被划擦试样5刚好接触。
[0029]本技术方案与【背景技术】相比，它具有如下优点:
[0030]本发明提供的一种磨粒剪切疲劳测试设备，实现了不同材质磨�？辜羟心芰Φ牧炕员龋蹦芴峁┛辜羟械氖奔涫荩徊降姆治隹梢匀范チＴ诩羟谢讨械钠扑樾问�、破碎机理等问题，对于磨料制造和磨具设计等方面具有重要的理论指导意义。

【专利附图】

【附图说明】
[0031]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0032]图1所示为本发明的一种磨粒剪切疲劳测试设备示意图。
[0033]图2所示为本发明的一种磨粒剪切疲劳测试设备实际使用时，磨粒与被划擦试样间剪切滑动过程的声发射信号变化，其中图2a为单晶氧化铝；图2b为单晶金刚石；图2(:为立方氮化硼。
[0034]图3所示为3种不同磨粒的抗剪切疲劳循环次数。
[0035]附图标记:1.光学平板；2.Y轴滑台；3.X轴滑台；4.力传感器；5.被划擦试样；6.磨粒；7.工具头；8.连接杆；9.超声变幅杆；10.变幅杆支架；11.Z轴滑台。

【具体实施方式】
[0036]下面通过实施例具体说明本发明的内容:
[0037]请查阅图1，一种磨粒剪切疲劳测试设备，包括磨粒6及与磨粒6发生剪切滑动的被划擦试样5 ;所述磨粒6钎焊或粘接在一工具头7顶端；还包括基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；
[0038]所述基座系统包括光学平板1，X轴滑台3，Y轴滑台2和Z轴滑台11 'Y轴滑台2滑动装接在光学平板I上且可沿Y轴方向滑动；x轴滑台3滑动装接在Y轴滑台2上且可沿X轴方向滑动；Z轴滑台11滑动装接在光学平板I上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；
[0039]所述超声振动系统包括超声发生器，超声变幅杆9和连接杆8 ;超声变幅杆9通过变幅杆支架10装接在Z轴滑台11，超声发生器传动连接超声变幅杆9 ;连接杆8固接在超声变幅杆9上；所述工具头7固接在连接杆8上；
[0040]所述测力系统包括力传感器4，第一电荷放大器和第一数据采集卡；力传感器4固接在X轴滑台3上，该第一电荷放大器信号连接力传感器4，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；所述被划擦试样5固接在力传感器4 ；
[0041]所述声发射系统包括声发射传感器，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器装设于工具头7内，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器；
[0042]通过X轴滑台3、Y轴滑台2和Z轴滑台11使被划擦试样5和工具头7可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被划擦试样5与磨粒6的相对位置；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆9和连接杆8传递至工具头7以使工具头7发生振动从而实现磨粒6与被划擦试样5间发生剪切滑动；通过测力系统检测磨粒6与被划擦试样5间力的动态变化；通过声发射系统检测磨粒6与被划擦试样5间剪切滑动过程中磨粒6达到疲劳破坏时的声发射信号。
[0043]本实施例之中，所述磨粒6为普通磨粒或超硬磨粒，例如单晶金刚石、立方氮化硼、单晶氧化铝等，且该磨粒6粒度大于40 μm。
[0044]本实施例之中，所述被划擦试样5可以是磨粒加工的各种工件材料，当被测试磨粒的材质不同时，被划擦试样的选择也可以与之相匹配。
[0045]本实施例之中，所述被划擦试样5经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度达到Ra0.1 μ m，该被划擦试样5用超声清洗机清洗后固接在力传感器4。
[0046]本实施例之中，所述连接杆8为带锥度螺钉；其螺纹的锥度部分在螺钉的尾部，超声变幅杆9端面上设有螺纹孔，带锥度螺钉的锥度部分与该螺纹孔内锥面适配以使连接杆8螺接在超声变幅杆9上。
[0047]本实施例之中，所述X轴滑台3由步进电机驱动，其步进精度优于10 μπι ;所述Y轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于10 μ m;所述Z轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于0.3 μπι。
[0048]本实施例之中，所述力传感器4的性能参数为:测力范围为-20Ν?20Ν，测力精度高于0.002Ν，采样频率高于1KHz ;所述声发射传感器的性能参数为:频率范围为50?100kHz，谐振频率大于80kHz，灵敏度峰值大于70dB ;本实施例之中，声发射传感器的性能参数为:频率范围为50?100kHz，谐振频率480kHz，灵敏度峰值120dB ;所述超声发生器的性能参数为:振动频率f = 20?40KHz，振幅范围为O?20 μ m，本实施例之中，所述超声发生器的性能参数为:振动频率f = 20KHz，振幅范围为15 μm，振动波形为正弦波。
[0049]本实施例之中，所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。
[0050]本发明现场使用方式如下:
[0051]I)通过X轴滑台3和Y轴滑台2调整被划擦试样5在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对磨粒6 ；
[0052]2)通过Z轴滑台11调整工具头7在Z轴方向上的位置使磨粒6与被划擦试样5刚好接触；所述判断磨粒6与被划擦试样5刚好接触的方法如21)-22)所示:
[0053]21)通过Z轴滑台11调整工具头7在Z轴方向上的位置使磨粒6靠近被划擦试样5，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过Z轴滑台11调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；
[0054]22)启动测力系统，每次以Z轴滑台11的最小位移移动Z轴滑台11并通过测力系统检测磨粒6与被划擦试样5间接触力的实时变化；当接触力到达临界值Nrait时，停止移动Z轴滑台11，此时即为磨粒6与被划擦试样5刚好接触；所述Nrait= 0.005?0.02N，根据被划擦试样5的材料强度确定，被划擦试样5的材料越硬，Nrait越大，本实施例之中，N crit=0.0lN
[0055]3)启动超声振动系统以使工具头7发生振动，从而实现磨粒6与被划擦试样5发生高频剪切滑动；记录剪切滑动时间(即划擦时间)；
[0056]4)通过测力系统检测磨粒6与被划擦试样5间剪切滑动过程中力的动态变化；
[0057]5)通过声发射系统检测磨粒6与被划擦试样5间剪切滑动过程中磨粒6达到疲劳破坏时的声发射信号，在剪切滑动或滚动过程中磨粒6达到疲劳破坏后，声发射信号会有明显的变化；
[0058]6)检测到磨粒6达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，根据剪切滑动时间、超声振动频率计算剪切次数，从而得到磨粒6的剪切疲劳测试数据。
[0059]请查阅图2至图3，为利用本发明的一种磨粒剪切疲劳测试设备对单晶金刚石、立方氮化硼和单晶氧化铝三种不同材质的磨粒进行对比测试的结果示意图，该三种磨粒用钎焊的方法固定在工具头上，粒度大小为200 μm，每种材质的磨粒均测试20个以获得统计数据。
[0060]图2是单晶金刚石、立方氮化硼和单晶氧化铝3种不同材质磨料在剪切滑动过程中的声发射信号变化示意图，横坐标为剪切滑动时间(即划擦时间)，纵坐标为声发射信号的幅值，声发射信号的突然变化表征了磨粒的破碎，对应的剪切滑动时间乘以超声振动频率就可以得到磨粒发生破损的剪切次数。图3为3种不同材质磨料的剪切次数的对比，横坐标为3种不同材质的磨粒，纵坐标为剪切循环次数的统计分布值。
[0061]本发明的一种磨粒剪切疲劳测试设备可以量化对比不同材质磨粒的抗剪切能力，同时提供抗剪切的时间数据，进一步的分析可以确定磨粒在冲击过程中的破碎形式、破碎机理等问题，对于磨料制造和磨具设计等方面具有重要的理论指导意义。
[0062]以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
【权利要求】
1.一种磨粒剪切疲劳测试设备，其特征在于:包括磨粒(6)及与磨粒(6)发生剪切滑动的被划擦试样(5);所述磨粒(6)固接在一工具头(7);还包括基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统； 所述超声振动系统装接在基座系统上；所述工具头(7)固接在超声振动系统上；所述声发射系统装接于工具头(7);所述测力系统装接在基座系统上；所述被划擦试样(5)固接在测力系统上； 通过基座系统调节被划擦试样(5)与磨粒(6)的相对位置；通过超声振动系统使工具头(7)发生振动从而实现磨粒(6)与被划擦试样(5)间发生剪切滑动；通过测力系统检测磨粒(6)与被划擦试样(5)间力的动态变化；通过声发射系统检测磨粒(6)与被划擦试样(5)间剪切滑动过程中磨粒(6)达到疲劳破坏时的声发射信号。
2.根据权利要求1所述的一种磨粒剪切疲劳测试设备，其特征在于: 所述基座系统包括光学平板(I)，X轴滑台(3)，Y轴滑台(2)和Z轴滑台(11) ;Y轴滑台(2)滑动装接在光学平板(I)上且可沿Y轴方向滑动；Χ轴滑台(3)滑动装接在Y轴滑台(2)上且可沿X轴方向滑动；Ζ轴滑台(11)滑动装接在光学平板(I)上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；通过X轴滑台⑶、Y轴滑台⑵和Z轴滑台(11)使被划擦试样(5)和工具头(7)可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被划擦试样(5)与磨粒￠)的相对位置； 所述超声振动系统包括超声发生器，超声变幅杆(9)和连接杆(8);超声变幅杆(9)装接在Z轴滑台(11)，超声发生器传动连接超声变幅杆(9);连接杆(8)固接在超声变幅杆(9)上；所述工具头(7)固接在连接杆(8)上；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆(9)和连接杆(8)传递至工具头(7)以使工具头(7)发生振动从而实现磨粒(6)与被划擦试样(5)间发生剪切滑动； 所述测力系统包括力传感器(4)，第一电荷放大器和第一数据采集卡；力传感器(4)固接在X轴滑台(3)上，该第一电荷放大器信号连接力传感器(4)，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；所述被划擦试样(5)固接在力传感器(4); 所述声发射系统包括声发射传感器，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器装设于工具头(7)内，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器。
3.根据权利要求2所述的一种磨粒剪切疲劳测试设备，其特征在于:所述磨粒(6)为普通磨粒或超硬磨粒，该磨粒(6)粒度大于38 μ m。
4.根据权利要求2所述的一种磨粒剪切疲劳测试设备，其特征在于:所述被划擦试样(5)经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度不大于Ra0.1 μ m，该被划擦试样(5)用超声清洗机清洗后固接在力传感器(4)。
5.根据权利要求2所述的一种磨粒剪切疲劳测试设备，其特征在于:所述连接杆(8)为带锥度螺钉；所述连接杆(8)螺接在超声变幅杆(9)上。
6.根据权利要求2所述的一种磨粒剪切疲劳测试设备，其特征在于:所述X轴滑台(3)由步进电机驱动，其步进精度优于11 ym ;所述Y轴滑台⑵由步进电机驱动，其步进精度优于11 μ m ;所述Z轴滑台(11)由步进电机驱动，其步进精度优于0.35 μ m。
7.根据权利要求2所述的一种磨粒剪切疲劳测试设备，其特征在于:所述力传感器(4)的性能参数为:测力范围为-25N?25N，测力精度高于0.0025N，采样频率高于8KHz ;所述声发射传感器的性能参数为:频率范围为48?1010kHz，谐振频率大于78kHz，灵敏度峰值大于65dB ;所述超声发生器的性能参数为:振动频率f = 18?42KHz，振幅范围为O?22 μ m0
8.根据权利要求2所述的一种磨粒剪切疲劳测试设备，其特征在于:所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。
9.根据权利要求2所述的一种磨粒剪切疲劳测试设备的使用方法，其特征在于:包括: 1)通过X轴滑台⑶和Y轴滑台⑵调整被划擦试样(5)在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对磨粒(6)； 2)通过Z轴滑台(11)调整工具头(7)在Z轴方向上的位置使磨粒(6)与被划擦试样(5)刚好接触； 3)启动超声振动系统以使工具头(7)发生振动，从而实现磨粒(6)与被划擦试样(5)发生剪切滑动；记录剪切滑动时间； 4)通过测力系统检测磨粒(6)与被划擦试样(5)间剪切滑动过程中力的动态变化； 5)通过声发射系统检测磨粒(6)与被划擦试样(5)间剪切滑动过程中磨粒(6)达到疲劳破坏时的声发射信号； 6)检测到磨粒(6)达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，根据剪切滑动时间、超声振动频率计算剪切次数，从而得到磨粒(6)的剪切疲劳测试数据。
10.根据权利要求9所述的一种磨粒剪切疲劳测试设备的使用方法，其特征在于:所述步骤2)中，判断磨粒(6)与被划擦试样(5)刚好接触的方法包括: 21)通过Z轴滑台(11)调整工具头(7)在Z轴方向上的位置使磨粒(6)靠近被划擦试样(5)，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过Z轴滑台(11)调整两者相对位置至塞尺最小尺寸； 22)启动测力系统，每次以Z轴滑台(11)的最小位移移动Z轴滑台(11)并通过测力系统检测磨粒(6)与被划擦试样(5)间接触力的实时变化；当接触力到达临界值时，停止移动Z轴滑台(11)，此时即为磨粒(6)与被划擦试样(5)刚好接触。
【文档编号】G01N3/24GK104483210SQ201410851597
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】郭桦, 姜峰, 徐西鹏, 言兰 申请人:华侨大学